单腿跳跃机器人轨迹规划(2)
时间:2015-10-15 10:48 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:论文部落 点击次数:
程,三个关节角不是相互独立的。运用参数化方法假定关节角1和关节角2按如下规律进行变化:
θj(t)=aj1+aj2t+aj3t2+aj4t3+aj5t4+aj6t5+aj7t3(t-tfl)3 (10)j=1,2
注意到,最后一个系数的改变不影响角度、角
速度、角加速度的边界值,它的存在用于改变曲线的形状。上述2个关节角共14个系数,加上关节角3初始时刻角速度θ
· fl
3,0
共15个未知参数。
腾空段外力只有重力,所以其关于质心的角
动量守恒。由此可得关系式
d H
dt =g(Θfl,Θ
· fl,Θ¨fl)=0 (11)
将整个腾空时间离散化,假设分为N 个时间
间隔Δt,将第k个时间间隔内的Θfl
k、Θ
· fl
k
和θ ¨
1,k、θ ¨
2,k
代入式(11)中可以得到θ ¨
3,k,运用欧拉公式进行
数值积分得到
θ ·
3,k+1 =θ
·
3,k +θ
¨
3,kΔt (12)
θ3,k+1 =θ3,k +θ
·
3,kΔt+12 θ
¨
3,kΔt2 (13)
由式(10)~ 式(13)计算出所有关节角的角度、角速度和角加速度后,再由式(2)可以计算出每个采样时间内的膝关节和髋关节力矩τ2、τ3,踝关节力矩τ1 =0。
机器人在腾空段的优化模型如下:
目标函数:c= 12
UTUΔt
U =
[τ1(1)τ2(1)τ3(1) … τ1(N)τ2(N)τ3(N)]T等式约束:
[θ1(t=0)θ2(t=0)]T = θfl[10 θf2l0]
T
[θ1(t=tfl)θ2(t=tfl)]T = θfl[1f θf2lf]
T
P ·
fl
c0 = [vcx vcy0]
T
P¨fl
c0 = [0 -g ]T θ3,N+1 =θfl3f
不等式约束:
τ2l≤τ2 ≤τ2u τ3l≤τ3 ≤τ3uθil≤θi ≤θiu i=1,2,3
θ23l≤θ23 ≤θ23u
yfl
f(k)>0 k=1,2,…,N -1
其中,yfl
f
表示腾空段时脚在惯性系中的竖直方向
位移。腾空段过程是运用MATLAB中的fmincon函数寻优,以下各段均与此相同。
站立段的优化模型与此类似,考虑到跳跃过
程中的碰撞现象和周期性特点,站立段开始时刻状态就是机器人脚与地面发生碰撞之后的状态,站立段终了时刻状态就是机器人腾空前一时刻的状态,所以当腾空段的状态确定以后,这两个时刻的状态也就被确定了,即已知Θst
0、Θ
· st
0、Θst
f、Θ
· st
f(其
中上标st表示站立段)。假设站立段质心前向平均速度与腾空段质心前向速度相同,由式(1)可得站立段质心开始时刻和终了时刻的位置Pstc0、
Pst
cf,那么站立段时间为
tst=
xst
cf-xst
c0
vcx
(14)
站立段是全驱动状态,假设三个关节角都按
式(10)的规律变化,目标函数与腾空段相同,优化模型的约束如下:
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